지상레이더 대기보정 기반 고정산란체 간섭위상 평가 연구 = Evaluation of Permanent Scatterer Interferometric Phase based on Atmospheric Correction for Ground-Based Radar

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, the increasing frequency of torrential rainfall due to climate change has heightened the risk of embankment and slope failures, leading to a growing need for slope stability monitoring. In particular, levees are critical structures that require ensuring hydraulic stability, making precise displacement observation essential. Radar interferometry based on ground-based radar is effectively utilized for monitoring geological phenomena, such as land subsidence and landslides, as well as the stability of man-made structures like dams and levees, with millimeter-level precision. Ground-based radar allows for flexible configuration of the image acquisition area and time based on the user's objectives, facilitating the acquisition of high-precision time-series data due to its high temporal and spatial resolution. However, the atmospheric phase delay effect, which occurs as microwaves propagate through the troposphere, acts as a major source of error in precise displacement observations. In this study, atmospheric phase correction based on meteorological observation data and the Persistent Scatterer Interferometry(PSI) was applied to ground-based radar data acquired at the Wangsin reservoir levee in Gyeongju, Gyeongsangbuk-do. We evaluated the interferometric phase and time-series displacement before and after atmospheric correction. The Ku-band Gamma Portable Radar Interferometer (GPRI-Ⅱ) was used to acquire 397 radar images at 5-minute intervals, along with simultaneous meteorological data, from 17:00 on September 18, 2025, to 02:00 on September 20, 2025. The observation period was divided into 11 time segments to generate an initial atmospheric phase model using atmospheric refractivity, which was then refined using the actual observed interferometric phase. The results showed that the residual phase in the differential interferogram was corrected to a value close to zero after atmospheric correction. Additionally, the linear error displacement velocity induced by atmospheric effects was also corrected to nearly 0 mm/day. By selecting four specific persistent scatterer points and examining their time-series displacements, a significant reduction in the Root Mean Square Error(RMSE) to near-zero values was confirmed, validating the successful performance of the atmospheric correction. Based on these results, the time segment from 20:05 to 23:00, which exhibited the highest correlation between atmospheric refractivity and interferometric phase along with successful correction performance, was identified as the optimal observation window. This period is considered the optimal time for observations when applying atmospheric phase correction based on meteorological data. This study constructed the atmospheric phase model assuming a uniform atmospheric refractivity across the entire area based on a single point. Although this approach has a limitation in that it does not account for localized meteorological changes or wind effects, it successfully corrected the overall atmospheric phase in the ground-based radar data. These findings evaluate the persistent scatterer interferometric phase through meteorological-based atmospheric correction and suggest the possibility of more precise time-series displacement observation.

국문 초록 (Abstract)

최근 기후변화로 집중호우가 빈번해지며, 이로 인한 제방 및 사면의 붕괴 위험이 증가함에 따라 사면 안정성 모니터링 연구의 필요성이 증대되고 있다. 특히 제방은 수리적 안정성 확보가 중요한 구조물로 정밀한 변위 관측이 필수적이다. 지상레이더 기반의 위상간섭기법은 mm 수준의 높은 정밀도로 변위를 관측할 수 있어 지반침하, 산사태와 같은 지질학적 현상뿐만 아니라 댐, 제방과 같은 인공 구조물의 안정성 모니터링 등에 효과적으로 활용되고 있다. 특히 지상레이더는 사용자의 목적에 따라 영상 획득 영역 및 시간 등을 유연하게 설정할 수 있으며, 높은 시간 및 공간해상도를 가지는 고정밀 시계열 자료 획득이 용이하다. 하지만 마이크로파가 대류권을 전파하며 발생하는 대기 위상 지연 효과는 정밀 변위 관측에 있어 주요한 오차 요인으로 작용한다. 본 연구에서는 경상북도 경주에 위치한 왕신저수지의 제방에 대해 획득된 지상레이더 자료에 기상 관측 자료 기반의 대기보정을 수행하고, 고정산란체 위상간섭기법(Persistent Scatterer Interferometry, PSI)을 적용하여 대기보정 전후의 간섭위상 및 시계열 변위를 평가하였다. Ku-대역의 Gamma Portable Radar Interferometer(GPRI-Ⅱ) 지상레이더를 사용하였으며, 2025년 9월 18일 17시부터 2025년 9월 20일 2시까지 5분 간격으로 397장의 지상레이더 자료와 기상 관측 자료를 획득하였다. 11개 시간 구간으로 분할하여 대기 굴절률을 이용한 초기 대기 위상 모델을 생성하고, 실제 관측된 간섭위상을 이용해 대기 위상 모델을 개선하였다. 연구 결과, 대기보정 후 기존 차분위상간섭도에서 나타난 간섭위상이 0에 가깝게 보정되었으며, 대기 위상으로 인해 추정된 선형의 오차 변형 속도 또한 0에 가깝게 보정되었다. CR을 포함한 고정산란체 점 4개를 선정하여 관측된 시계열 지표 변위를 확인한 결과, RMSE 값이 0에 가깝게 감소하였으며, 이는 대기보정이 성공적으로 수행되었음을 의미한다. 연구 결과를 기반으로 대기 굴절률과 간섭위상의 상관관계가 가장 높고, 기상 관측 자료 기반의 대기보정이 효과적으로 수행된 20시 5분부터 23시까지의 시간 구간을 최적 관측 시간대로 도출하였다. 다만 본 연구에서는 대기 굴절률이 전체 영역에서 균일하다는 전제 하에 한 점에서의 대기 굴절률을 이용한 대기 위상 모델을 구축하였다. 이는 국지적인 기상 조건 변화나 바람 등에 의한 영향을 고려하지 못한다는 한계가 존재하지만, 지상레이더 자료에서 나타난 전반적인 대기 위상을 효과적으로 보정할 수 있었다. 본 연구 결과는 기상 관측 자료 기반의 대기 위상 보정을 통한 고정산란체 간섭위상을 평가하였으며, 보다 정밀한 시계열 변위 관측 가능성을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 개요 1
• 2. 연구 배경 및 목적 2
• 3. 연구 지역 5
• Ⅱ. 이론적 배경 7
• 1. 영상레이더(Imaging radar) 7
• 2. GPRI-Ⅱ(Gamma Portable Radar Interferometer-Ⅱ) 10
• 3. 레이더 위상간섭기법(Radar interferometry) 14
• 4. 차분위상간섭기법(Differential radar interferometry) 17
• 5. 고정산란체 위상간섭기법(Persistent scatterer interferometry) 19
• 6. 대기 위상 지연(Atmospheric phase delay) 22
• 7. 대기 위상 지연 보정 26
• Ⅲ. 연구 자료 및 연구 방법 28
• 1. 연구 자료 28
• 1.1 GPRI-Ⅱ 자료 28
• 1.2 기상 관측 자료 31
• 1.3 SRTM 수치표고모형 자료 33
• 2. 연구 방법 35
• 2.1 기상 관측 자료 분석 36
• 2.2 대기 위상 모델 생성 41
• 2.3 대기 위상 보정 44
• 2.4 고정산란체 위상간섭기법 적용 47
• Ⅳ. 연구 결과 52
• 1. 기상 관측 자료 분석 결과 53
• 2. 대기 위상 모델 생성 결과 61
• 3. 대기 위상 보정 결과 68
• 4. 고정산란체 위상간섭기법 적용 결과 72
• 4.1 고정산란체 선정 72
• 4.2 차분위상간섭기법 결과 75
• 4.3 시계열 지표 변위 결과 79
• 5. 최적 관측 시간대 도출 92
• Ⅴ. 토의 및 결론 94